Criado na escola da Estrella Galicia 0,0 e na Escola Técnica Monlau Repsol, em 2016 Sergio García Dols conquistou o Campeonato Espanhol de Pre-Moto3™. Em 2017, disputou o FIM CEV Repsol na categoria Moto3™, com a equipe Estrella Galicia 0,0, com a qual alcançou sua primeira vitória no Circuito de Barcelona-Catalunha e terminou a temporada na 7ª posição geral. Com a mesma equipe, encarou também a temporada de 2018, ano em que venceu quatro corridas e terminou como vice-campeão, mesmo tendo perdido dois Grandes Prêmios após fraturar a perna no meio da campanha. Em 2019, chegou a grande oportunidade de estrear no Campeonato Mundial de Moto3™. Após perder a primeira etapa por ainda não ter completado 16 anos, García Dols evoluiu ao longo do ano e fechou a temporada em alta, com um segundo lugar na Malásia e sua primeira vitória no Mundial, em Valência. Em 2020, subiu ao pódio duas vezes e terminou o campeonato na 9ª colocação. Já em 2021, mudou de equipe e, ao lado do Aspar Team, o jovem espanhol confirmou as expectativas, mantendo-se na disputa pelo título e ocupando a segunda posição no campeonato. No entanto, uma queda no TL1 do GP das Américas provocou um hematoma no rim, que o impediu de disputar as duas corridas seguintes e encerrou sua luta pelo título. O valenciano ainda fechou o ano com um bom resultado, conquistando um segundo lugar em sua corrida caseira e garantindo a terceira posição final no campeonato. Em 2022, voltou a brigar pelo título. Três vitórias na primeira metade da temporada lhe deram grande impulso, mas, apesar de conquistar mais cinco pódios, acabou superado pelo companheiro de equipe, Izan Guevara, que confirmou o título. García Dols terminou como vice-campeão em sua última temporada com o Aspar Team antes de subir para a Moto2™. Em 2023, defendeu as cores da equipe Flexbox HP40 e teve como melhores resultados dois quintos lugares, nos GPs da Catalunha e da Índia. Em 2024, juntou-se à equipe MT Helmets – MSI e começou o ano em grande forma, com vitórias no GP das Américas e no GP da França, assumindo a liderança inicial do campeonato. Porém, conquistou apenas mais dois pódios ao longo da temporada e terminou o ano na quarta posição. Para 2025, seguiu com a MT Helmets – MSI, mas, antes do GP da Itália, piloto e equipe anunciaram a separação no meio da temporada. Isso abriu novas oportunidades para o restante do ano: uma participação no WorldSBK com a Honda HRC e, posteriormente, o anúncio de seu retorno à Moto2 para as duas últimas etapas com a ITALJET Gresini Moto2, equipe à qual se juntará em definitivo em 2026.